一种用于水声通信的两级唤醒电路及其唤醒方法与流程

本发明涉及水声节点的通信技术领域，尤其是一种用于水声通信的两级唤醒电路及其唤醒方法，适合于水声环境下的通信和网络节点系统。

背景技术：

随着陆地资源的开发过度，人类的目光转移到海洋领域。海洋中蕴藏着丰富的资源，因此对海洋进行开发和探索势在必行。近年来，随着水声通信与网络在海洋信息领域的应用不断加深，其在海洋资源的勘测与开发、海洋环境监测以及国防等方面具有重要的应用。

水声环境下的网络是由多个节点组成，而能量有限成为水下节点实现长期服役的一个重大限制。节点是由电池供电，且水下环境的节点更换或电源补充难度很大，因此如何降低节点的能耗，延长水声通信和网络系统的生存周期成为学者广泛关注的问题。针对这个问题，目前较为常用的方法是设置节点存在唤醒、休眠两种状态，减少节点空闲状态能耗的浪费，提高能量的利用率，而这种方法需要一种唤醒电路为主节点检测信道中的唤醒信号。

水下节点modem存在多种工作模式，当无通信任务时可以令modem处于休眠状态，即关闭大部分器件，只令modem的小部分电路处于工作状态来连接唤醒电路。在通信任务到来时再将modem唤醒，即开启cpu的电源进行数据的处理。在这个过程中，唤醒电路始终需要保持活跃监测信道，当有效信号来临时，产生一个中断唤醒休眠状态的modem。如此，modem可以根据性能需求在不同的状态之间切换，在最大限度内减小节点的能耗。

在水声环境下，唤醒电路需要对唤醒信号进行识别。同时，由于持续活跃的特性，这种唤醒电路的功耗必须尽可能的低。到目前为止，唤醒电路识别唤醒信号的方法有两种，第一是采用能量检测的方法，即设置能量阈值，当唤醒信号能量超过该阈值时，则认为信号有效，这种方法的缺陷是被噪声或其他非有效信号误唤醒的概率较大，且发射机的能耗较高。第二是采用匹配滤波器，即从硬件方面对唤醒信号做互相关，但是这种硬件实现互相关的运行速率很慢，集成度不高，同时由于互相关检测单频信号的能力很差，因此匹配滤波器也无法检测单频信号。

技术实现要素：

针对上述唤醒电路误唤醒率高、能耗高和检测类型单一的问题，本发明的目的是提供一种用于水声通信的两级唤醒电路及其唤醒方法，该电路可以精准识别唤醒信号、超低能耗且检测范围广泛，能够广泛应用于水声环境中不同信号要求的通信设备，同时提高唤醒电路的检测性能，进一步降低电路的能耗，从而提高整个系统的能量利用率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明的第一个方面，是提供一种用于水声通信的两级唤醒电路，该两级唤醒电路分别与接收节点和接收换能器相连，所述接收换能器通过发送换能器与发送节点进行数据通信，所述两级唤醒电路包括信号预处理模块和单片机模块；所述信号预处理模块与所述接收换能器相连，所述信号预处理模块持续对通信信道进行监测，当所述接收换能器将唤醒信号输入至信号预处理模块时，对接收到的唤醒信号进行预处理，并将预处理后的唤醒信号发送到所述单片机模块；所述单片机模块根据预设电压阈值对预处理后的唤醒信号进行判断，当预处理后的唤醒信号超过预设电压阈值时，则对预处理后的唤醒信号进行有效性判断，并产生两路信号，一路为用于唤醒所述接收节点的中断信号，另一路为对预处理后的唤醒信号进行识别处理后的输出信号。

进一步的，所述信号预处理模块包括前置放大器模块和带通滤波器模块，所述前置放大器模块用于对所述接收换能器发送的唤醒信号进行信号放大，并输出到所述带通滤波器模块；所述带通滤波器模块用于对接收的放大信号进行滤波，得到目标带宽的信号后，输出到所述单片机模块。

进一步的，所述前置放大器模块采用三极管放大电路，所述三极管放大电路中的三极管采用2sc2240npn管。

进一步的，所述带通滤波器模块采用多路负反馈有源二阶带通滤波器。

进一步的，所述多路负反馈有源二阶带通滤波器电路包括第一～第三电阻、第一～第三电容和运算放大器；所述第一电阻一端作为带通滤波器模块的输入端与所述前置放大模块相连，另一端分别连接所述第一电容、第二电容和第二电阻；所述第一电容另一侧分别与所述运算放大器的负极输入端和第三电阻一端相连；所述第二电容另一侧分别与所述运算放大器的输出端和第三电阻另一端相连；所述第二电阻另一端接地；所述运算放大器的正极输入端与电源vcc相连，输出端与所述第三电容的正极相连，所述第三电容的负极作为带通滤波器模块的输出端与所述单片机模块相连。

进一步的，所述运算放大器采用型号为ada4096-2acpz-r7。

进一步的，所述单片机模块包括单片机唤醒电路和单片机；所述单片机唤醒电路为看门狗定时器，所述看门狗定时器用于根据预设电压阈值对所述带通滤波器模块输出的预处理后的唤醒信号进行判断，当预处理后的唤醒信号超过预设电压阈值时，输出高电位信号将所述单片机唤醒；所述单片机内设置有信号类型判别模块和信号识别模块，所述信号类型判别模块用于对预处理后的唤醒信号类型进行识别，并将唤醒信号的信号类型发送到所述信号识别模块；所述信号识别模块根据得到的信号类型采用相应的识别算法对唤醒信号进行信号类型正确性的判断，当判断唤醒信号有效时，发送中断信号到所述接收节点将其唤醒，同时输出处理后的唤醒信号到所述接收节点。

进一步的，所述单片机采用msp430单片机。

本发明的第二个方面，是提供一种用于水声通信的两级唤醒电路的唤醒方法，其包括以下步骤：

1)将两级唤醒电路模块设置在接收节点的外部设备中，两级唤醒电路依次通过接收换能器、发送换能器与发射节点相连；所述两级唤醒电路模块包括信号预处理模块和单片机模块，所述单片机模块包括单片机唤醒电路和单片机；

2)接收节点的两级唤醒电路模块持续对通信信道进行监测，接收节点的主体部分保持休眠状态；

3)两级唤醒电路模块在监测通信信道的过程中，如果没有监测到唤醒信号，则两级唤醒电路模块中的单片机模块处于待机状态，只有信号预处理模块保持工作状态；

4)当发射节点需要向接收节点发送数据时，首先发送一个唤醒信号；

5)当信号预处理模块检测到唤醒信号并输出一个高电位模拟信号后，所述单片机唤醒检测到该高电位信号并产生唤醒中断将单片机唤醒，单片机对唤醒信号进行有效性判断，当判断唤醒信号有效时，单片机输出一个中断信号将接收节点的主体部分唤醒；

6)接收节点的主体部分从休眠状态中醒来，回复一个应答包通知发射节点已准备好接收数据；

7)发射节点收到应答包后，开始发送数据，接收节点接收数据，完成本次通信过程。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在唤醒电路的基础上优化成两级唤醒电路，令唤醒电路本身也存在工作和待机两种模式，且硬件上电时间极短，由此带来的时延可忽略不计，所以电路的性能也不会受到影响。如此，即可实现两级唤醒，在唤醒休眠状态节点的同时，进一步降低唤醒电路的功耗，延长唤醒电路的生存时间，这对于采用电池供电的水下节点具有重要的意义。

2、本发明采用msp430作为识别信号的电路模块，通过软件算法实现对唤醒信号进行精确的识别，解决了能量检测带来的误唤醒问题，提高了信号的检测概率，这对于水声环境下干扰较大的微弱信号检测具有重要的价值；同时，由于节点被噪声或其他非有效信号误唤醒会导致能量的浪费，因此本发明也可以提高水声通信系统和网络的能量利用率。

3、本发明采用的msp430单片机可以通过软件编程实现多种复杂的检测算法，因此可以根据不同的通信设备要求设置多种类型的唤醒信号，解决了匹配滤波器检测信号单一性的问题。因此，该两级唤醒电路可适用于水声环境中多种通信设备的唤醒功能，这尤其对实现水下复杂的多种环境要求具有重要的价值与意义。

综上所述，本发明可以广泛应用于水声环境中水声节点通信领域。

附图说明

图1是本发明设计的唤醒电路与modem的连接示意图；

图2是本发明中的两级唤醒电路系统框图；

图3是本发明电路中的前置放大电路图；

图4是本发明电路中的带通滤波器电路图；

图5是本发明电路中的msp430f5438a功能框图；

图6是本发明信号预处理电路的功耗仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

为了解决目前唤醒电路存在的不足：功耗高、检测范围单一、误唤醒率高，本发明提出一种水声环境两级唤醒电路，实现节点与唤醒电路的两级唤醒，扩大信号类型的检测范围，降低节点被误唤醒的概率。

由modem的硬件结构我们可知：利用dsp和发射机可以作为产生和传输唤醒信号的硬件，而接收唤醒信号并对唤醒信号进行判断和分析需要通过一个额外的唤醒电路模块来实现。因此，在休眠状态的接收节点外围需要设计一种唤醒电路。同时，在水声环境下，唤醒信号是以声音为介质进行传播，且接收节点可以提前获取唤醒信号的频率和幅值特征，即为“友好信号”。

水下微弱信号检测就是从不可避免的多种噪声中检测出有用信号。因此，唤醒电路需要具备放大整形、选频和区分信号的能力。本发明在此基础上，增加一级唤醒，使得唤醒电路本身也可进入休眠/唤醒状态，完成两级唤醒的功能，从而降低电路的功耗，使其更加适用于持续保持侦听状态的水声工作环境。

如图1所示，本发明提供的一种用于水声通信的两级唤醒电路，该两级唤醒电路设置在接收modem(节点)的外部设备中，分别与接收modem的主体和接收换能器相连，接收换能器通过发送换能器与发送modem进行数据通信。在节点无通信任务时，接收modem进入休眠状态，两级唤醒电路持续工作监测信道，一旦发射modem发送唤醒信号，两级唤醒电路对该唤醒信号进行有效性判断，当判断该唤醒信号有效后，则产生一个中断信号，将接收modem唤醒，进行通信任务的处理。

如图2所示，本发明提供的一种用于水声通信的两级唤醒电路，一级唤醒是指作为接收modem外设电路所起到的唤醒功能；两级唤醒是指唤醒电路中单片机的工作和待机模式切换，该单片机存在多种工作模式，当不需要处理唤醒信号时，单片机处于待机状态，当非噪声信号到来时，唤醒单片机对信号进行有效性判断。具体的，该电路包括信号预处理模块和单片机模块。其中，信号预处理模块与接收换能器相连，信号预处理模块持续对信道进行监测，当接收换能器发送唤醒信号时，对接收到的唤醒信号进行预处理，并将得到的预处理后的唤醒信号发送到单片机模块；单片机模块根据预设电压阈值对预处理后的唤醒信号进行判断，当预处理后的唤醒信号超过预设电压阈值时，则对预处理后的唤醒信号进行有效性判断，并产生两路信号，一路为用于唤醒接收modem的中断信号，使其进行通信任务的处理，另一路为对唤醒信号进行处理后的输出信号。

进一步的，信号预处理模块包括前置放大器模块和带通滤波器模块，前置放大器模块用于对接收换能器发送的唤醒信号进行信号放大，并输出到带通滤波器模块；带通滤波器模块用于对接收的放大信号进行滤波，得到目标带宽的信号后，输出到单片机模块。

进一步的，如图3所示，前置放大器模块采用三极管放大电路，其包括三极管q1、电阻r1～r8和电容c1～c5。其中，电阻r1一端与电源vcc相连，另一端分别与电阻r3、电阻r4和电容c5的正极相连，电阻r1与电阻r3串联后调节三极管q1的基极电流，从而实现直流偏置，控制电路的静态工作点；电阻r3与电阻r7并联后控制三极管q1的基极电流，电阻r3与电阻r2并联后串联电阻r1，通过调节三极管q1的基极电流，从而实现直流偏置，控制电路的静态工作点；电阻r7与电阻r2并联后串联电阻r3，用于提高三极管q1的输入阻抗；电阻r4与三极管q1的集电极相连，用于控制三极管q1的集电极电流；电阻r5一端与三极管q1的发射极相连，另一端与电阻r6串联，用于控制三极管q1的发射极电流；电容c1与三极管q1的基极相连，另一端作为前置放大器电路的输入端与接收换能器的输出端相连；电容c2并联在电阻r7两端，用于滤波；电容c3并联在电阻r6两端，用于滤波；电容c4与三极管q1的集电极相连，另一端与电阻r8相连后作为前置放大器电路的输出端与带宽滤波器相连；电阻r6、电阻r7、电阻r8、电容c2、电容c3和电容c5另一端均接地。

进一步的，由于前置放大器模块的输入信号是一个微弱信号，背景噪声对信号的影响比较大，因此为了降低噪声的影响并满足低功耗的要求，本发明中，三极管q1采用2sc2240npn管。

进一步的，如图4所示，带通滤波器模块采用多路负反馈有源二阶带通滤波器电路，优势为其带宽、增益、品质因数比较容易调节，因此在工程中应用最为广泛。本发明中采用的多路负反馈有源二阶带通滤波器电路包括电阻r1～r3、电容c1～c3和运算放大器u1。其中，电阻r1一端作为输入端与前置放大模块相连，另一端分别连接电容c1的正极、电容c2的正极和电阻r2，电容c1的负极分别与运算放大器u1的负极输入端和电阻r3一端相连，电容c2的负极分别与运算放大器u1的输出端和电阻r3另一端相连，电阻r2另一端接地；运算放大器u1的正极输入端与电源vcc相连，运算放大器u1的输出端与电容c3的正极相连，电容c3的负极作为带通滤波器模块的输出端与单片机模块相连。带通滤波器的带宽的中心频率为唤醒信号的频率，本发明采用的运算放大器为低功耗运放ada4096-2acpz-r7，可调节电阻r3并联在运放ada4096-2acpz-r7的负输入端和输出端，通过调节电阻r3的值获得不同的中心频率，从而适应不同传输距离的通信设备。

进一步的，单片机模块包括单片机唤醒电路和单片机，其中单片机唤醒电路为看门狗定时器，该看门狗定时器用于根据预设电压阈值对带通滤波器模块输出的预处理后的唤醒信号进行判断，当预处理后的唤醒信号超过预设阈值时，输出高电位信号将单片机唤醒；单片机内设置有信号类型判别模块和信号识别模块，信号类型判别模块用于对预处理后的唤醒信号类型进行识别，并将唤醒信号的信号类型发送到信号识别模块；信号识别模块根据得到的信号类型采用相应的识别算法对唤醒信号进行信号类型正确性的判断，当判断唤醒信号有效时，发送中断信号到接收modem将其唤醒，同时输出处理后的唤醒信号到接收modem。

由于唤醒信号的功能简单，只需要能够与噪声或其他非有效信号区分即可，且考虑到水声环境的干扰较大，因此可以采用单频信号或线性调频信号作为唤醒信号，并对单频信号采用fft算法进行识别，对于线性调频信号采用互相关算法进行识别。如果通信设备要求其他类型的唤醒信号，msp430也可以满足检测算法的要求，如此便扩展了唤醒电路的检测范围，并大大降低被噪声或其他非有效信号误唤醒的概率。

进一步的，如图5所示，单片机采用msp430单片机，具体采用型号为msp430f5438a芯片，该芯片为超低功耗单片机，功能为进行信号识别。msp430f5438a芯片具有较低的工作电压1.8～3.6v，当芯片处于工作模式时，工作电流仅为110ua/3v；当芯片进入休眠即待机模式时，工作电流仅为1.7ua/2.2v；当芯片处于关断模式时，工作电流能够低至0.1ua。三种低功耗工作模式最大程度延长了电源的工作时间。该单片机在处于待机模式和关断模式时均可实现唤醒，关断模式下单片机从待机到唤醒需要3.5us的时间，根据不同的需求可以选择不同的休眠模式。

如图6所示，为本发明对信号预处理电路进行的功耗仿真图，通过multisim仿真可得，信号预处理电路的功耗为1.13mw。而msp430f5438a芯片的最高功耗为0.33mw，由此可知本发明提出的水声通信两级唤醒电路的最高功耗为1.46mw，达到超低功耗的要求。

基于上述用于水声通信的两级唤醒电路，本发明还提供一种用于水声通信的两级唤醒电路的唤醒方法，其包括以下步骤：

1)将两级唤醒电路模块设置在接收节点b的外部设备中，两级唤醒电路依次通过接收换能器、发送换能器与发射节点a相连；

2)接收节点b的两级唤醒电路模块持续对通信信道进行监测，接收节点b的主体部分保持休眠状态；

3)两级唤醒电路模块在监测通信信道的过程中，如果没有监测到唤醒信号即高电位信号，则两级唤醒电路模块中的单片机msp430处于待机即休眠状态，只有信号预处理电路保持工作状态；

4)当发射节点a需要向接收节点b发送数据时，由于接收节点b处于休眠状态，需要首先发送一个唤醒信号唤醒接收节点b，假设该唤醒信号为脉冲信号，其频率为13khz，幅值为1mv；

5)接收节点b的两级唤醒电路模块持续检测信道，信号经过水声信道会损失一部分能量；假设，损失后的声信号经过换能器转换为电信号并放大后，信号幅值为1mv；当信号预处理电路检测到唤醒信号并输出一个高电位模拟信号后，单片机msp430的看门狗定时器电路检测到该高电位信号并产生唤醒中断将单片机msp430唤醒，单片机msp430通过软件检测算法对唤醒信号进行有效性判断，判断信号为唤醒信号后，单片机msp430输出一个中断信号将主节点唤醒；

6)接收节点b从休眠状态中醒来，回复一个应答包通知发射节点a已准备好接收数据；

7)发射节点a收到应答包后，开始发送数据，接收节点b接收数据，完成本次通信过程。

以上过程利用二级唤醒电路实现了按需唤醒的休眠策略，节点保持休眠状态，一旦需要处理数据，则由唤醒电路唤醒接收节点，使得节点的能量更加有效。本发明设计的二级唤醒电路实现了两次唤醒，提高了信号类型的检测范围，解决了节点被噪声或其他非有效信号的误唤醒问题，减小了通信和网络能量的开销，实现了超低功耗，从而延长了整个系统的生存周期，对于水声通信和网络很有研究价值。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。